預應力混凝土連續箱梁加固計算研究

杜　元(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢　430050;2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇南京　210061)

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預應力混凝土連續箱梁加固計算研究

杜元1，2
(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢430050;2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇南京210061)

摘要:徐州一京杭運河橋為變截面預應力混凝土連續箱梁，目前存在較嚴重病害，橋梁總體技術狀況等級評定為4類，主要表現:邊、中跨箱梁合龍段底板存在橫向及縱向裂縫;邊、中跨箱梁腹板厚度漸變段存在斜向裂縫;邊跨箱梁合龍段底板存在不同程度空鼓及崩裂現象。結合平面有限元程序SCDS和空間有限元軟件ANSYS進行計算分析，模擬橋梁實際通行荷載，分析預應力偏差對結構受力的影響，研究結論驗證了橋梁病害產生的原因。在箱梁內部采取主動施加體外預應力以及腹板內、外側粘貼鋼板等措施對結構予以補強。最后通過成橋靜、動載試驗及運營情況驗證了大橋加固計算分析準確，加固措施有效，滿足規范要求。

關鍵詞:預應力混凝土連續箱梁裂縫有限元程序體外預應力粘貼鋼板加固計算

1　工程概況

徐州一京杭運河橋為(62 + 100 + 62)m變截面預應力混凝土箱梁，截面為單箱單室。頂板寬12.75 m，底板寬6 m，支點附近截面高5.8 m，跨中合龍段截面高2.5 m，梁底按1.8次拋物線變化。

經檢測發現主橋存在嚴重病害:底板橫向、縱向裂縫，腹板斜向、豎向裂縫，頂板縱向裂縫，橫隔板斜向裂縫;混凝土破損露筋，箱內預應力錨頭處預應力筋外露;底板裂縫附近存在不同程度的空鼓現象。主橋總體技術狀況等級評定為4類。橋梁總體布置(1/2結構)如圖1所示。

圖1　橋梁總體布置(1/2結構)(單位:cm)

2　橋梁病害分析

2.1實際橋梁通行荷載

2.1.1交通調查

大橋所在道路車輛超限、超重現象十分嚴重，導致梁體應力過大。車輛超載是直接導致底板橫向開裂、腹板縱向開裂最主要的原因，并加快了結構的下撓。

1)通行車輛數量及類型

2014年3月15日，調查時間段取9:00～19:30，主要記錄以下車型:小汽車、大客車、雙軸卡車、三軸卡車、四軸卡車、五軸掛車、六軸掛車。調查結果表明砂石車和罐車所占比例較大，罐車主要以運輸商品混凝土、水泥、粉煤灰為主。

2)通行特點

砂石車、罐車、商品混凝土運輸車、水泥、粉煤灰運輸車主要集中在18:00以后過橋，在18:48開始有一列5輛運輸碎石的車隊過橋，每一輛車均為六軸掛車。根據檢測報告，運輸碎石的六軸掛車重量約210～230 t。

2.1.2超載車隊模擬

通行車輛主要為重型貨車，按照三軸卡車30 t考慮。車隊中還包括五軸掛車，不超載時按照規范55 t考慮，超載時按照110 t考慮。對于運輸鋼材及砂石六軸掛車按照實測值220 t考慮。車輛荷載示意如圖2，通行車隊布置示意如圖3。

圖2　車輛荷載示意(荷載:kN;距離:m)

圖3　通行車隊布置示意(荷載:kN;距離:m)

2.2縱向預應力損失

主橋運行不到4年，左、右幅橋跨中高程相對設計值分別下撓3.4，3.7 cm。說明橋梁在后期運營過程中，主梁內部有效預應力值低于設計值，導致橋梁建成初期下撓值較大。預應力損失對主跨跨中撓度的影響見表1。考慮施工測量誤差因素，預應力損失暫時按10%考慮。

表1　預應力損失對主跨跨中撓度的影響

2.3豎向預應力損失

實際施工過程中，由于受鋼筋回縮、錨具變形等因素的影響，施工質量往往達不到技術要求，豎向預應力損失較大，暫時按全部損失考慮。

2.4平面有限元計算(SCDS)

在恒載(結構自重+縱向預應力損失10% +豎向預應力全部損失)+超載車隊+溫度荷載組合作用下，分別對主橋箱梁承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行檢算。其中，3種超載車隊分別代表3種荷載工況。

1)實際通行荷載超載系數

3種超載車隊作用下主橋邊跨、中跨產生的最大彎矩與原設計荷載效應的比值為實際通行車輛荷載超載系數。車隊1、車隊2和車隊3實際通行荷載超載系數分別為1.3，1.9，2.0。

2)承載能力極限狀態檢算

計算主橋箱梁正截面抗彎承載能力安全系數。在工況1作用下＞1，滿足要求，在工況2與工況3作用下均＜1，不滿足規范要求。斜截面抗剪承載能力最小安全系數為1。

3)正常使用極限狀態檢算

正截面抗裂檢算。在工況1作用下，邊、中跨12#，13#塊及合龍段附近截面混凝土均出現拉應力;在工況2、工況3作用下，邊、中跨11#～13#塊及合龍段附近截面混凝土均出現拉應力。不滿足全預應力混凝土構件規范要求，部分截面不能滿足A類預應力構件要求。

斜截面抗裂檢算。在工況1作用下，中跨9#～11#塊附近截面(腹板厚度漸變段)出現較大主拉應力;在工況2、工況3作用下，邊跨9#～10#塊、中跨8#～13#塊附近截面(腹板厚度漸變段)出現較大主拉應力。不滿足全預應力混凝土構件規范要求，部分截面不能滿足A類預應力構件要求。

2.5空間有限元計算(ANSYS)

采用空間有限元軟件ANSYS對主橋箱梁進行整體及局部專項計算分析，整體計算結果與平面有限元計算結果基本一致，局部專項計算結果有效補充了結構的空間效應。

1)考慮縱向預應力與豎向預應力損失，在原設計荷載(公路—Ⅰ級)作用下，中跨跨中底板出現拉應力，邊跨跨中底板壓應力儲備也很小，若常有超重車輛活載作用，箱梁底板下緣很容易出現橫橋向裂縫。8#～13#塊(腹板厚度漸變段)腹板出現較大的主拉應力，腹板內側主拉應力大于外側，表明箱梁腹板內側出現斜裂縫的可能性要大于外側表面，與橋梁實際開裂情況基本一致。

2)主橋箱梁在邊、中跨合龍段底板附近存在較多崩裂與空鼓缺陷。結合工程經驗，對縱向預應力定位偏差影響進行專項分析:單截面偏差，邊跨箱梁11#截面預應力位置上浮15 cm;三截面反向偏差，11#截面向上15 cm，10#和12#截面向下10 cm。比較縱向預應力豎向定位偏差與原設計狀態的差別，箱梁底板預應力定位偏差時底板下表面正應力對比曲線見圖4。

圖4　箱梁底板預應力定位偏差時底板下表面正應力對比曲線

對于11#截面而言，單截面偏差和三截面反向偏差相對于原設計應力變化情況:縱橋向正應力分別增大2.89，4.42 MPa;橫橋向正應力分別增大1.52，2.55 MPa。

計算結果表明:若底板縱向預應力鋼束定位存在偏差，如小半徑拐點、節段錯臺等，局部預應力鋼束曲率會變大，預應力鋼束引起的下崩力將相應增大，造成底板應力集中。加上縱向預應力鋼束管道對截面的消弱，容易導致底板混凝土分層劈裂或局部剝落。

3　維修加固

3.1加固措施

3.1.1原結構備用束

原結構底板與頂板均設置備用束，其中底板備用束在邊跨布置2束，中跨布置4束，共計8束。

利用原預應力備用束可以增加箱梁底板應力儲備，提高結構承載能力。由于原結構已經出現較嚴重病害，若啟用備用束，按照張拉控制應力為0.5fpk= 930 MPa考慮，邊跨箱梁底板壓應力會增加0.75 MPa，中跨增加0.53 MPa，但箱梁邊、中跨跨中底板會分別增加0.65和0.34 MPa的橫向拉應力。另外，考慮該橋底板存在較多空鼓、縱向裂縫、混凝土崩裂等病害，特別是預應力鋼束定位可能存在一定的偏差，若張拉備用束，很可能會再次引起底板混凝土崩裂，加重橋梁病害。故本次維修加固設計不考慮啟用備用束，采用鋼板對齒塊端部進行密封。

3.1.2箱內增設體外預應力

增設體外預應力是解決預應力儲備不足最有效的方法:在兩側62 m邊跨箱內各布置6束12-7φ5環氧涂層鋼鉸線體外索;100 m中跨箱內布置8束12-7φ5環氧涂層鋼鉸線體外索，張拉控制應力為0.6fpk，張拉力為1 870 kN。

體外預應力鋼束利用7#墩、8#墩橫隔板以及鋼結構支架作為轉向支點，在6#墩、9#墩底板厚度漸變段及7#墩、8#墩橫隔板設置錨固塊，通過植筋與端橫梁連接。

3.1.3腹板粘貼鋼板

根據計算結果，邊跨8#～11#塊、中跨7#～12#塊腹板存在較大的主拉應力，故在腹板內側與外側粘貼一層鋼板。腹板外側為45°斜向鋼板，腹板內側采用縱向粘貼鋼板方式加固。

3.1.4橋面鋪裝改造

原設計橋面鋪裝構造為8 cm混凝土調平層+12 cm瀝青混凝土，總厚度為20 cm。本次維修通過減薄瀝青鋪裝層厚度從而減輕結構恒載，鑿除原橋面鋪裝層瀝青混凝土，重新鋪裝5 cm厚SMA-13。橋面鋪裝實際減薄7 cm，單幅橋恒載減輕19.3 kN/m。

3.1.5主梁底板混凝土局部崩裂處理

維修施工前通過在邊跨合龍段底部增設臨時支點，布置2×2臺50 t千斤頂，總頂升力為800 kN，為整個施工過程提供可靠的安全保障。

針對輕微崩裂或空鼓部位，鑿除破損混凝土，清理干凈后采用改性環氧砂漿進行修復，在底板上、下面粘貼縱向鋼板并植入M12鋼螺桿進行固定。針對嚴重崩裂部位，先沿橫向設置臨時槽鋼進行固定，保證結構安全，再仔細清理底板崩裂區域，鉆孔植筋，并將底板預應力鋼束逐段固定，修復底層鋼筋網。修復完成后拆除臨時槽鋼，粘貼底板上、下面鋼板，并采用加壓方式灌注高強度自密實砂漿，形成整體。

3.2加固效果

3.2.1主要加固措施作用效應

針對箱內增加體外預應力和橋面鋪裝減薄7 cm兩種主要加固措施對原結構進行檢算，分析邊、中跨箱梁跨中截面撓度和底板應力變化，以及邊、中跨箱梁腹板厚度漸變段處截面主拉應力變化，見表2。

表2　主要加固措施作用效應

3.2.2主要計算結果

維修加固設計按照恒載(結構自重+縱向預應力損失10% +豎向預應力全部損失)+車輛荷載+新增體外預應力+橋面鋪裝減薄7 cm +溫度荷載組合工況進行結構檢算，車輛荷載為公路—Ⅰ級荷載、車隊1和車隊3荷載，分別代表3種荷載工況。

1)承載能力極限狀態檢算

對主梁正截面抗彎承載能力和斜截面抗剪承載能力進行檢算，安全系數如表3和表4所示。

表3　正截面抗彎承載能力安全系數

表4　斜截面抗剪承載能力安全系數

2)正常使用極限狀態檢算

正截面抗裂檢算結果見表5。首先考慮結構為全預應力構件，按照短期荷載效應組合對截面上、下緣應力進行檢算。若不滿足要求，再考慮結構為A類預應力構件，按照長期和短期效應組合進行檢算。

斜截面抗裂檢算步驟同上:工況1中，斜截面滿足抗裂要求;工況2和工況3中，中跨9#塊與10#塊交界處斜截面不滿足抗裂要求，則考慮結構為A類預應力構件，按照短期荷載效應組合進行檢算，工況2和工況3中斜截面滿足抗裂要求。

表5　正截面抗裂檢算結果

4　建議

1)新橋設計宜結合當地交通量，特別是資源型地區，超載現象嚴重，在滿足現行規范要求下，可適當提高結構安全儲備，降低橋梁社會風險。

2)舊橋加固設計時，采用平面和空間有限元相結合的方法建模計算分析，才能充分分析病害原因，掌握結構受力狀態，并采用有效的加固措施。

3)實際施工過程中，豎向預應力筋張拉施工質量往往達不到技術要求，加上鋼筋回縮、錨具變形等因素，預應力損失較大，容易引起腹板出現斜向裂縫。建議在新橋設計時，不考慮豎向預應力筋參與結構受力，僅按構造要求考慮。

4)采用體外預應力主動加固的方法更能有效、直接地解決結構抗彎不足的問題，而采用腹板斜向粘貼鋼板加固的方法對于提高腹板抗剪承載力有顯著效果。

5)引起箱梁底板混凝土崩裂的因素有很多，而實際施工過程中預應力鋼束管道不直、混凝土澆注不密實、底板上(下)層鋼筋網片內豎向拉筋過少等現象較普遍，需要引起足夠重視。

5　結語

大橋經過3個多月的維修施工，于2015年順利通過檢測單位的靜、動載試驗，恢復通車，同時管養單位在橋頭設置限高架，加大力度查處超載車輛，確保大橋安全通行。

采用平面有限元程序SCDS并結合空間有限元軟件ANSYS進行計算分析，模擬橋梁實際通行荷載，分析預應力偏差對結構受力的影響，研究結論驗證了橋梁病害產生的原因。在箱梁內部采取主動施加體外預應力以及腹板內、外側粘貼鋼板的措施對結構補強，加固效果顯著。最后通過成橋靜、動載試驗及運營情況驗證了大橋加固計算分析準確，加固措施有效，滿足規范要求。

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(責任審編鄭冰)

Calculation Study on Reinforcement of Prestressed Concrete Continuous Box Girder

DU Yuan1，2

(1.China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430050，China;2.China Railway Major Bridge(Nanjing)and Tunnel Inspect＆Retrofit Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210061，China)

Abstract:A bridge on Jinghang canal in Xuzhou with the main span(62 + 100 + 62)m is a variable cross-section prestressed concrete continuous box-girder.At present，there are serious diseases，the general technical condition rating of the bridge is class 4.T he main performance included:some transverse and longitudinal cracks at the bottom of the side and middle span box girder closure segments;some slant cracks on the web thickness gradient section of the side and middle span box girder;the empty drum and bursting crack at the side span box girder closure segments.Base on the plane finite element program SCDS and the space finite element program ANSYS to simulate the actual traffic load on continuous box girder，the reason of bridge disease is proved by the final research conclusion.T he structure is reinforced with the active application of external prestressing steel strand inside the box girder，the web of internal and external bonded steel plates.Finally，through a static and dynamic bridge load test and actual operation，the reinforcement calculation is proved accurate and the maintenance reinforcement measures are effective，it meets the specification requirements.

Key words:Prestressed concrete continuous box girder;Crack;Finite element program;External prestressing;Bonding steel plate;Reinforcement calculation

作者簡介:杜元(1983—)，男，工程師，碩士。

收稿日期:2015-11-24;修回日期:2016-01-04

文章編號:1003-1995(2016)03-0036-05

中圖分類號:U445.7+2

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.09